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Plasma créé par laser pour l'analyse des matériaux solides: amélioration de la limite de détection par excitation spectrale sélective.

Goueguel, Christian Loïc (2012). Plasma créé par laser pour l'analyse des matériaux solides: amélioration de la limite de détection par excitation spectrale sélective. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 172 p.

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Résumé

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La spectrométrie des plasmas produits par laser ou LlBS (pour l'acronyme Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique permettant l'analyse multi-élémentaire sur tout type d'échantillon qu'il soit à l'état solide, liquide ou gazeux. Le principe consiste à focaliser un faisceau laser intense sur le matériau à analyser de manière à produire un plasma. L'émission du plasma d'ablation est ensuite analysée en utilisant la spectroscopie optique dans le domaine de l'UV-visible voire le proche infrarouge dans certaines applications. Le LlBS possède plusieurs avantages sur les autres techniques analytiques existantes, par exemple la possibilité de réaliser des analyses chimiques in situ en temps réel sans recourir à aucune préparation (voire très peu) des échantillons au préalable. Cependant, le LlBS souffre en règle générale de performances analytiques relativement faibles. Ce travail de thèse propose d'explorer l'utilisation d'impulsions laser accordables en longueur d'onde dans le but de développer des schémas d'excitation qui permettraient d'améliorer les performances analytiques du LlBS conventionnel. Dans un premier temps, une étude paramétrique de l'approche « Resonance- Enhanced LlBS» (ou RELlBS) a été effectuée en utilisant deux lasers. En effet, l'approche RELIBS est basée sur l'excitation sélective, au moyen d'un laser accordable, d'un atome de l'un des éléments les plus abondants (i.e. matrice) dans un plasma d'ablation créé par un premier laser. Elle consiste alors à analyser l'émission des analytes induite par des collisions successives entre les différentes espèces présentes dans le plasma. Cette étude paramétrique, jamais réalisée auparavant, nous a conduit à montrer que l'effet RELIBS est optimal lorsque la fluence du laser d'ablation est relativement proche du seuil d'ablation. Bien que les performances analytiques soient comparables à celles du L1BS, ce dernier résultat constitue toutefois le principal avantage du RELlBS, puisqu'il implique la possibilité de réaliser des analyses mettant en jeu une quantité de matière ablatée beaucoup plus faible qu'en L1BS conventionnel. Par la suite, en utilisant également deux lasers, nous nous sommes attachés à étudier l'approche combinée L1BS-L1F (L1F pour l'acronyme Laser-Induced Fluorescence) qui est basée sur l'excitation spectrale d'un atome d'un élément spécifique (i.e. analyte) contenu dans le plasma généré par une première impulsion laser. Une étude détaillée de l'influence des paramètres expérimentaux comme la longueur d'onde, la fluence d'ablation et d'excitation et le délai entre les deux impulsions laser sur le signal fluorescence émis est présentée pour la première fois. Cette approche permet d'améliorer la limite de détection d'au moins 2 ordres de grandeur par rapport au L1BS conventionnel. Finalement, nous avons développé et étudié une nouvelle approche à savoir le « Resonant L1BS » (ou RLlBS) qui s'inspire du schéma d'excitation du L1BS-L1F, sauf qu'une seule impulsion laser accordable est utilisée à la fois pour l'ablation et l'excitation sélective d'un élément à l'état de trace. L'étude du signal de fluorescence est effectuée pour différents paramètres expérimentaux tels que la longueur d'onde, le délai d'acquisition et la fluence laser. Nous montrons en particulier que l'effet RL1BS est optimal lorsque la fluence laser est très proche du seuil d'ablation du matériau. Cette étude nous a permis non seulement d'améliorer d'un ordre de grandeur la limite de détection par rapport au L1BS conventionnel, mais aussi de mettre en évidence le caractère peu destructif de l'analyse étant donné les très faibles fluences laser (de l'ordre du J.cm-2 ) mises en jeu.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse: Vidal, François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: ondes; implusions; LIBS; resonance-enhanced; LIBS-LIF
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 22 janv. 2013 16:39
Dernière modification: 18 nov. 2015 21:32
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/714

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